一种抑制天然气水合物分解的高效冲洗液体系性能研究

武治强 (中海油研究总院，北京 100020)

许明标，王晓亮 (非常规油气湖北省协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100)

天然气水合物主要分布在陆地的永冻土地区和水深超过300m的深水海域[1]。海洋水合物井作业与传统海洋石油及天然气井不同，一是水合物井的水深大，二是水合物井在海底下的钻进深度浅，三是水合物井的井内温度控制较难[2～4]。由于天然气水合物易分解，为了安全地进行水合物开采，控制井内温度不可缺少。在固井作业中，天然气水合物的分解易引起环空气窜，导致岩层和水泥之间胶结质量差[5]。在天然气水合物固井施工过程中，冲洗液的作用至关重要，研究一套适合于天然气水合物固井用的冲洗液体系，直接关系到天然气水合物井能否安全顺利开发。

1 冲洗液的组成

室内通过向冲洗剂中加入复合水合物抑制剂，提高冲洗液的抗冻性及天然气水合物抑制性；同时，优选两性表面活性剂，提高冲洗效率。室内研究的冲洗液FLUSER-L的主要组成：100%海水+20%水合物抑制剂+10%两性表面活性剂+5%渗透剂+5%降失水剂。

2 冲洗液综合性能评价

2.1 FLUSER-L冲洗液冲洗性能的评价

图1 冲洗液评价装置示意图

为了模拟井下情况，室内采用人工砂岩岩心模拟井壁，将现场的井眼及套管尺寸缩放至室内尺寸设计冲洗效率评价装置。试验用的砂岩是采用不同粒径砂子配制的水泥浆制成的模拟砂岩，并在支撑套上有很多失水孔，以便在加压的过程中形成压差，达到失水及形成滤饼的目的。冲洗液评价装置如图1所示。

室内采用该装置评价冲洗液对黏附在套管和井壁上的钻井液的冲洗效果，结果如表1所示。用海水模拟冲洗的时候，黏附在套管上的钻井液不能很好地被冲刷掉，冲洗效率较差；而冲洗液冲洗套管效果明显，不论接触时间长短，冲洗效率都是100%，显示了冲洗液优良的冲洗效果。由于钻井液在压力作用下失水形成致密的滤饼，因而需要冲洗液在大的流速情况下进行冲洗，从而改变井壁的润湿情况，达到冲刷井壁的目的。从评价结果看出，冲洗液对模拟井壁的冲洗效果较好，冲洗效率达到91.8%。

2.2 FLUSER-L冲洗液与入井流体的配伍性评价

冲洗液不仅要求具有良好的冲洗性能而且需要与钻井液和水泥浆具有良好的配伍性[6,7]。室内对FLUSER-L冲洗液与钻井液和水泥浆进行配比，评价不同比例流体的流变性，结果见表2和表3。从表2可以看出，冲洗液具有良好的稀释作用，与钻井液混合后其流变性的变化呈现急剧的平稳下降，其与钻井液配伍性较好。从表3数据可看出，随着冲洗液与水泥浆混配比值的增大，体系黏度呈减小趋势，且在冲洗液与水泥浆混合过程中未有絮凝、分层等现象出现，冲洗液与低水化热水泥浆具有较好的配伍性。

表1 冲洗效率评价结果

注：钻井液为南海现场钻井液，下同。

表2 冲洗液与钻井液的配伍性

注1：钻井液配方为南海现场钻井液。

注2：μa为表观黏度；μp为塑性黏度；τ为动切力。

表3 冲洗液与低水化热固井水泥浆的配伍性

注1：水泥浆配方为 APE水泥(自制)+63%淡水+12%DWR空心玻璃微珠+1%CG88S降失水剂+4%STR低温增强剂+1.5%ACC早强剂+0.7%CF415L分散剂+6%GEL-Ⅱ相变储能材料(配方中的百分数为质量分数，下同)。

注2：Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分别为六速旋转黏度计600、300、200、100、6、3r/min对应的读值。

图2 海水-甲烷体系所形成的天然气水合物

图3 不同试验溶液随时间变化釜体压力变化

图4 冲洗液侵入水泥浆后放热量情况

2.3 FLUSER-L冲洗液的水合物抑制性评价

实验室利用天然气水合物模拟试验装置，针对不同浓度冲洗液的抑制天然气水合物生成的效果进行了评价，海水-甲烷体系作为试验参照系。通常情况下，海水-甲烷体系在低温高压环境下会逐渐生成天然气水合物，如图2。在密闭的环境中，由于天然气水合物生成，甲烷气体体积减小，进而引起密闭环境压力降低。在试验时，若密闭釜体内的压力突然降低，一般认为在釜体内有天然气水合物生成，若釜体内压力始终未有变化说明未有天然气水合物生成。

室内采用海水、15%冲洗液、30%冲洗液和40%冲洗液进行冲洗液的天然气水合物抑制性评价试验，评价结果如图3所示。随着养护时间的延长，海水-甲烷体系反应釜体的压力下降幅度最大。在经过10h的养护后，海水-甲烷体系成功获得了水合物，15%冲洗液中略有水合物生成，不过很快发生分解，而30%与40%冲洗液基本保持原来的状态。试验结果说明，15%冲洗液有一定的水合物抑制作用，但是在长时间养护过程中不能完全抑制水合物生成，要保证冲洗液具有较好的水合物抑制作用，冲洗液的使用浓度要控制在30%以上。

2.4 FLUSER-L冲洗液对水泥浆水化放热的影响

FLUSER-L冲洗液主要是应用于天然气水合物地层固井作业，所以还需要评价冲洗液混入水泥浆中后水泥浆的水化放热情况，避免因为水泥浆异常放热影响水合物层固井作业安全。室内评价了5%和10%冲洗液混入水泥浆的水化放热量情况，结果如图4所示。

由图4可以看出，冲洗液的加入能够有效降低水泥浆水化凝固过程中的放热量。5%的冲洗液混入水泥浆中后，水泥浆水化过程中的浆体温度和放热量都略有降低。10%冲洗液混入水泥浆中后水泥浆的3d放热量降低了19J/g。说明冲洗液混入水泥浆中后，水泥浆的水化放热量呈现降低的趋势，所以冲洗液不会对低水化热水泥浆固井产生不利影响。

3 结论

1)研究的高效冲洗液体系具有良好的井壁和套管冲洗效果，套管模拟冲洗效率高达100%，井壁模拟冲洗效率高达91.8%。

2)研究的高效冲洗液体系与入井流体具有良好的配伍性，冲洗液与钻井液按照不同比例混合，未有沉淀、絮凝分层现象出现；与水泥浆按照不同比例混合，均具有良好的流变性能。

3)研究的高效冲洗液体系具有良好的水合物分解效果，通过室内研究表明，30%以上的冲洗液能够抑制水合物的生成。

4)研究的高效冲洗液体系加入到水泥浆中，能够有效降低水泥浆的水化热，10%冲洗液混入水泥浆中后水泥浆的3d放热量降低了19J/g。

[参考文献]

[1]孙志高，王如竹，郭开华，等.天然气水合物研究进展[J].天然气工业，2001，21(1)：93～96.

[2] 白玉湖，李清平，周建良，等. 天然气水合物对深水钻采的潜在风险及对应性措施 [J].石油钻探技术，2009，37(3)：17～21.

[3] Xiuli Wang, Michael J. Natural gas hydrates as an energy source-revisited[J].IPTC 14211，2011.

[4] 李令东，程远方，周建良，等. 深水钻井天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数值模拟[J].中国海上油气，2012，24(5)：40～45.

[5] 许明标，王晓亮，周建良，等. 天然气水合物固井低热水泥浆研究[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2014，34(11)：134～137.

[6] Taoutaou S, Ashraf S, Takahashi U, et al. Implementation of a fit-for-purpose cementing technology for the first gas hydrate production in Japan[C]. IPTC17991，2014.

[7] Hannegan D M. Methane hydrate drilling technolog[C]. OTC 17448，2005.